Blindaje por proyección térmica en flancos de dientes de...

Enfoque UTE, V.8-N.4, Sep.2017, pp. 1 - 15 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2017/07/31 Aceptado (Accepted): 2017/09/29

CC BY 4.0

Blindaje por proyección térmica en flancos de dientes de un virador de

molino de caña de un ingenio azucarero

(Thermal projection shielding in teeth flanks of a sugar cane mill drainer

of a sugar factory)

Segundo M. Espín Lagos1, Jorge P. Guamanquispe Toasa1, Diana C. Coello - Fiallos1, Jorge A.

Paredes Zumbana1

Resumen:

Se realizó el blindaje a los flancos de dientes de un virador de molino de caña, por medio de la

técnica de proyección térmica por llama, mediante el uso de la aleación micropulverizada Eutalloy

11496. El material del virador es de acero AISI 1045 y la superficie de blindaje fue preparada por

el proceso de chorro con material abrasivo de naturaleza volcánica, con el objetivo de conseguir

una superficie óptima de anclaje para la aleación. A continuación, mediante software, se

realizaron iteraciones del espesor del blindaje con la finalidad de determinar su vida útil y

mediante la distribución de Weibull se estimó la función de confiabilidad y la función de

probabilidad de falla, considerando una zafra completa de 240 días.

Palabras clave: blindaje; proyección térmica; dureza; vida útil; probabilidad de falla.

Abstract:

Shielding was performed on the flanks of teeth of a cane mill by means of the flame thermal

projection technique using the Eutalloy 11496 micropulverized alloy. The material of the toner is

AISI 1045 steel and the surface of shielding was prepared by the jet process with abrasive

material of volcanic nature, in order to achieve an optimum anchorage surface for the alloy. Next,

in software, iterations of the thickness of the shield were realized with the purpose of determining

its useful life and through the distribution of Weibull we estimated the function of reliability and the

function of probability of failure, considering a complete harvest of 240 days.

Keywords: shielding; thermal projection; hardness; life span; failure probability.

1. Introducción

En la actualidad se han registrado investigaciones relacionadas con la ingeniería de superficies con

el objetivo de extender la vida útil de los elementos y las piezas mecánicas, que se encuentran

expuestas a medios de desgaste abrasivo y corrosivo; especialmente en la industria azucarera y

en el área de molinos, se ha visto la necesidad de experimentar técnicas de blindaje o

recubrimientos duros en las cuchillas centrales de molinos (viradores), pero mediante la protección

por arco eléctrico y electrodo revestido; es así que Adolfo Falcón (2002), egresado de la ESPOL,

realizó estudios de adherencia de metal de aporte sobre las cuchillas centrales, mientras variaba

los parámetros de soldadura y el tipo de electrodo; llegó a la conclusión que el recubrimiento con

electrodos compuestos de fundición de cromo mejoran la resistencia al desgaste de las cuchillas.

1 Universidad Técnica de Ambato, Ambato – Ecuador, ( {sespin, jp.guamanquispe, dc.coello}@uta.edu.ec,

[email protected] )

mailto:[email protected]

2

Enfoque UTE, V.8-N.4, Sep.2017, pp. 1 - 15

En otro caso, Ronny Aroca (2010), egresado de la ESPOL, realizó un análisis de recubrimientos

duros, pero en este caso como elemento de protección contra el desgaste de las masas de los

molinos de caña, mediante el uso de soldadura por arco; evidenció mejora en las propiedades de

resistencia al desgaste de las masas. El desgaste de las masas puede darse por el contacto con

materia extraña a la caña y proveniente de los cañaverales al momento de la cosecha, sean estos:

piedras, piezas de metal, maderas, arena de sílice, raíces y cogollos.

En esta investigación se ha caracterizado el blindaje por proyección térmica de aleación

micropulverizada Eutalloy 11496 sobre muestras de acero AISI 1045 pertenecientes a un virador

desechado del molino de caña 1 del Ingenio Azucarero San Juan (Figura 1) ubicado en Playas

Villamil, provincia del Guayas; se encontraron los mejores resultados de resistencia al desgaste

abrasivo y de resistencia a la corrosión, en las muestras que llevan blindaje sin la presencia de

defectos y que tuvieron una preparación superficial por chorro con el uso de material abrasivo

mineral de naturaleza volcánica.

Figura 1. a) Ubicación del virador en el molino de caña, b) Virador

Los resultados del ensayo de desgaste abrasivo (Tabla 1) y los resultados del ensayo de corrosión

acelerada en cámara de niebla salina (Tabla 2), se basaron en las normas ASTM G-65 (2000) y

ASTM B-117 (2003), respectivamente y de acuerdo con estos indicadores se procede a realizar el

blindaje de los flancos de los dientes de un nuevo virador, con la finalidad que la vida útil del blindaje

sea favorable a una zafra de duración 240 días. Se pretende que el blindaje sea quien se exponga

al medio abrasivo y corrosivo, en lugar del material base de los dientes del virador como sucede

típicamente.

Para la Tabla 1, las muestras de acero AISI 1045 previo al proceso de blindaje fueron preparadas

superficialmente por: pulido mecánico (P), chorro con abrasivo mineral (S) y granallado metálico

(G); en cambio, las muestras tipo (E) son los sustratos sin blindaje. De todas las muestras se puede

observar que el menor desgaste abrasivo expresado en mm3 se presentó en las muestras con

blindaje y una preparación superficial tipo chorro con abrasivo mineral (S). Debido a esto se ha

seleccionado como proceso de preparación superficial en los dientes del nuevo virador, el de tipo

chorro con material abrasivo de naturaleza volcánica.

3


Tabla 1. Resultados de ensayos de desgaste abrasivo en muestras de acero AISI 1045, norma ASTM G-65

Pro

be

ta

Peso inicial

(gramos)

Peso final (gramos)

Peso perdido

(gramos)

Desgaste abrasivo volumen

(mm3)

Media (mm3)

Desviación estándar (σ)

Coeficiente de variación

(%)

Dureza superficial

(HB)

Coeficiente desgaste (K)

P1 177,858 177,351 0,507 64,59

71,42 3,57 5,00

216,10 0,258

P2 204,745 204,192 0,553 70,45 227,50 0,296

P3 167,397 166,822 0,575 73,25 228,60 0,309

P4 201,718 201,147 0,571 72,74 219,80 0,295

P5 200,508 199,928 0,580 73,89 216,40 0,295

P6 166,135 165,557 0,578 73,63 198,70 0,270

S1 174,623 174,538 0,085 10,83

11,83 0,62 5,25

228,10 0,046

S2 172,258 172,169 0,089 11,34 267,30 0,056

S3 166,581 166,483 0,098 12,48 245,40 0,057

S4 184,432 184,337 0,095 12,10 231,00 0,052

S5 185,847 185,753 0,094 11,97 216,70 0,048

S6 178,859 178,763 0,096 12,23 215,20 0,049

G1 196,807 196,602 0,205 26,11

28,83 1,84 6,38

255,20 0,123

G2 193,876 193,643 0,233 29,68 227,90 0,125

G3 170,592 170,374 0,218 27,77 230,50 0,118

G4 194,574 194,326 0,248 31,59 227,90 0,133

G5 196,937 196,709 0,228 29,04 287,00 0,154

G6 196,854 196,628 0,226 28,79 262,60 0,140

E1 199,350 198,525 0,825 105,10 103,82 1,80 1,74

146,40 0,284

E2 200,209 199,404 0,805 102,55 147,00 0,279

En la Tabla 2 se puede observar la tasa o velocidad de corrosión expresada en mm/año, y que el

mayor ataque corrosivo se presentó en las muestras sin blindaje (E) expuestas a 200 horas de

corrosión acelerada en la cámara de niebla salina; no así, en las muestras que llevan blindaje y una

preparación superficial tipo chorro con abrasivo mineral (C).

Tabla 2. Resultados de los ensayos de corrosión acelerada en cámara de niebla salina en muestras de

acero AISI 1045 basados en la norma ASTM B-117

Pro

be

ta Pesos

Área (cm2)

Densidad (g/cm3)

Tiempo (h)

K mm/yr Inicial (g) Final (g)

Pérdida masa (g)

C1 44,519 44,457 0,062 4,83 7,60 100 87600 1,4796

C2 55,358 55,297 0,061 5,52 7,60 100 87600 1,2737

C3 50,263 50,181 0,082 4,80 7,60 200 87600 0,9845

C4 51,247 51,208 0,039 5,40 7,60 200 87600 0,4162

C5 55,718 55,651 0,067 6,30 7,60 100 87600 1,2258

C6 65,042 64,993 0,049 6,16 7,60 100 87600 0,9169

C7 55,564 55,524 0,040 5,04 7,60 200 87600 0,4574

C8 42,537 42,461 0,076 4,60 7,60 200 87600 0,9522

C9 49,727 49,654 0,073 4,83 7,60 100 87600 1,7421

C10 61,682 61,602 0,080 6,67 7,60 100 87600 1,3825

C11 66,446 66,394 0,052 6,16 7,60 200 87600 0,4865

C12 42,131 42,119 0,012 5,06 7,60 200 87600 0,1367

C13 55,408 55,382 0,026 5,50 7,60 100 87600 0,5449

C14 65,264 65,153 0,111 6,96 7,60 100 87600 1,8382

C15 53,953 53,947 0,006 5,50 7,60 200 87600 0,0629

C16 51,107 51,065 0,042 4,80 7,60 200 87600 0,5043

C17 50,856 50,836 0,020 5,28 7,60 100 87600 0,4366

C18 55,293 55,173 0,120 5,52 7,60 100 87600 2,5057

C19 59,903 59,895 0,008 7,00 7,60 200 87600 0,0659

C20 50,217 50,178 0,039 5,40 7,60 200 87600 0,4162

C21 53,381 53,360 0,021 5,28 7,60 100 87600 0,4584

C22 44,339 44,23 0,109 5,06 7,60 100 87600 2,4784

C23 42,117 42,098 0,019 4,62 7,60 200 87600 0,2370

C24 51,909 51,909 0,000 5,76 7,60 200 87600 0,0000

EC1 49,957 49,846 0,111 5,06 7,85 100 87600 2,4480

EC2 53,263 52,986 0,277 5,52 7,85 200 87600 2,7999

EC3 58,847 58,731 0,116 5,52 7,85 100 87600 2,3451

EC4 46,449 46,191 0,258 5,06 7,85 200 87600 2,8449

4


2. Materiales y equipos

2.1 Materiales

Virador del molino de caña, de acero AISI 1045

Aleación micropulverizada Eutalloy 11496, compuesta por: 15,5% de níquel y cromo, 3,2% de

boro, 3,8% de hierro y 0,7% de carbono (Eutalloy 11496; 2008).

Material abrasivo: de naturaleza volcánica, con tamaño de partículas en el orden de 1.5mm

Gases para el proceso de proyección térmica: oxígeno y acetileno, ambos de uso industrial.

2.2 Equipos

Equipo de proyección térmica SUPERJET-S

Pistola de temperatura FLUKE 62 MAX+

Medidor de rugosidad ELCOMETER 123

Medidor de espesores DEMEQ QS5

Medidor portátil de dureza Brinell DIGIMESS DP 300

3. Metodología

3.1 Preparación superficial y rugosidad

Se utiliza para el chorro con material abrasivo, un gránulo basáltico de origen 100% volcánico, que

tiene como característica una alta pureza en sílice; el tamaño de sus partículas están en el orden

de 1,5 mm, de acuerdo con ensayos de granulometría con el material pasante en malla mesh 12

(1,7 mm) y retenido en malla mesh 14 (1,4 mm). La Figura 2 muestra el material abrasivo con las

partículas de formas angulares y esféricas.

Figura 2. Material abrasivo mineral para rociado a presión

El material abrasivo se coloca en la tolva de alimentación del equipo, con capacidad de 1,0 MPa y

0,2 m3; después se realiza el rociado a presión de los flancos de los dientes del virador,

considerando que el chorro del material abrasivo debe distribuirse uniformemente en las superficies,

para conseguir una rugosidad similar a la obtenida en los ensayos realizados en las muestras de

acero AISI 1045, con un valor promedio en el orden de 4,6 mils (116.8 μm). Para las futuras

conversiones de unidades se tomará en cuenta que: 1 mil = 25,4 micras. La Figura 3 muestra las

5


superficies de los dientes después del proceso de chorro con abrasivo mineral. La metodología de

medición del perfil de la superficie se basa en la ASTM D4417-B.

Figura 3. Dientes del virador después del proceso de chorro abrasivo

3.2 Calibración de los parámetros de proyección térmica

Los parámetros a controlar previo al proceso de proyección térmica son las presiones de los gases

que hacen posible la combustión de la aleación metálica micropulverizada; estos gases son el

oxígeno y el acetileno; estas presiones se calibran de acuerdo con la boquilla que se utilice (Tabla

3). Los tipos de boquillas y las presiones de trabajo que recomienda el equipo SUPERJET-S se

detallan a continuación (Castolin S.A. 2003):

Boquilla A0 S: útil para recargues puntuales de precisión

Boquillas A1 S y A2 S: útil para precisión lineal

Boquillas B3 S y B4 S: son boquillas intermedias estándar

Boquilla C5 S: es la boquilla de mayor potencia

Tabla 3. Presiones recomendadas para los gases de proyección térmica de acuerdo con el tipo de boquilla

Tipo de boquilla Oxígeno Acetileno

bar psi bar psi

A0 S 1,5 22 0,5 7,5

A1 S 2,0 30 0,5 7,5

A2 S 2,5 37 0,5 7,5

B3 S 2,5 37 0,6 9,0

B4 S 2,5 37 0,6 9,0

C5 S 4,0 60 1,0 15,0

Para este caso se utiliza una de las boquillas intermedias estándar B3 S, debido a su tamaño que

es accesible a la separación de los dientes del virador.

3.3 Precalentamiento superficial

La temperatura de precalentamiento de la superficie es un aspecto muy importante a controlar,

debido a que experimentalmente se ha evidenciado que, si la temperatura de precalentamiento de

la superficie se encuentra por debajo de los 200°C, existe desprendimiento del material de aporte,

por efecto de una mala fundición del polvo metálico sobre la superficie del acero. Los mejores

resultados se obtienen cuando la temperatura de precalentamiento de la superficie se encuentra en

el rango de 320 y 420°C; de acuerdo con esto se controló que las temperaturas de precalentamiento

de los flancos de los dientes del virador se encuentren dentro de lo indicado. El calentamiento se

realiza con el mismo equipo de proyección térmica, es decir mediante la combustión de ambos

gases (oxígeno y acetileno) (Sager - Castolin S.A. 2003).

6


Figura 4. a) Experimentación del blindaje con temperatura de precalentamiento a 200ºC, con evidencia de

desprendimiento del material, b) Precalentamiento de los flancos de los dientes del virador, con un control

de la temperatura entre 320 y 420°C

3.4 Proceso de blindaje por proyección térmica (AWS – Thermal Spraying)

Inmediato al precalentamiento de la superficie, se procede a depositar el polvo metálico sobre la

superficie de los flancos de los dientes; esto se hace mientras se presiona el gatillo de la antorcha,

y se distribuye el polvo de manera uniforme; hay que evitar formar aglomeraciones de polvo metálico

y evitar también dejar zonas vacías, propensas a la aparición de poros y grietas. Una vez distribuido

el polvo metálico se procede a fundirlo, visualizando que fluya y que se distribuya en toda la

superficie. La experiencia adquirida en la aplicación de este proceso garantiza la calidad del

blindaje, en términos de evitar la presencia de defectos superficiales como son grietas y poros. Del

espesor que se necesite conseguir, dependerá la cantidad de pases a realizar; en este caso y de

acuerdo con los resultados obtenidos en las experimentaciones con las muestras de acero extraídas

a partir del virador, lo que se desea conseguir es un espesor que se aproxime a 1 mm, por lo que

se realizó un pase de polvo metálico. La Figura 5 muestra la aplicación del blindaje en un sector de

los flancos de los dientes del virador.

Figura 5. Aplicación del blindaje en los flancos de los dientes del virador

3.5 Medición del espesor de blindaje

La Figura 6 muestra la medición de los espesores antes y después del blindaje, tomado en uno de

los dientes del virador. Inicialmente, es preciso que se calibre en cero el equipo; esto se realiza

mediante el patrón que viene incorporado (Manual QS5, 2011). La metodología de medición del

espesor es según la ASTM E797.

7


Figura 6. Medición de espesor en los flancos de los dientes del virador, a) calibración en cero del equipo, b)

medición antes del blindaje, c) medición después del blindaje

3.6 Medición “in situ” de dureza del blindaje

Para verificar la dureza “in situ” del blindaje, primero es necesaria la calibración del equipo (Figura

7); esto se realiza con el patrón que viene incorporado. Después de esto se procede a medir la

dureza Brinell de los flancos de los dientes, para después relacionar este valor con la dureza inicial.

Dado que este ensayo es del tipo dinámico, es importante que la pieza esté perfectamente apoyada.

El equipo de medición cuenta con un dispositivo de impacto D, que maneja una energía de impacto

de 11 N.mm, con punta de ensayo esférica de carburo de tungsteno, de diámetro 3 mm y dureza

1600 HV (Manual DIGIMESS DP300) (Mediciones y calibración según ASTM A-965-96).

Figura 7. Medición de dureza Brinell en blindaje, a) Calibración del equipo, b) Registro de dureza Brinell

3.7 Análisis de la vida útil del blindaje

Las consideraciones que se tomaron en cuenta para desarrollar el criterio de vida útil del blindaje

se tomaron del Tribology Handbook “Friction Wear Lubrication”, en donde se estudia el fenómeno

del desgaste de acuerdo con el contacto entre superficies, demostrando que hay influencia de la

presión de contacto sobre la intensidad del desgaste de las superficies asentadas; de acuerdo con

aquello, el autor Kragelsky (1981) presenta la ecuación de vida útil (1):

𝑉𝑢 =𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑡𝑎𝑞𝑢𝑒 ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑔𝑎𝑠𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎𝑠

𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎𝑠 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑎𝑑𝑎𝑠 𝐸𝑐. 1

Para la ecuación 1, el dato que se desconoce es la masa del perfil de ataque, que en este caso es

la masa del espesor de blindaje de todos los flancos de los dientes del virador; es por eso que en

el software SolidWorks, se procede a modelar el virador de caña del molino (Figura 8), para

determinar la masa del perfil de ataque de todos los flancos de los dientes. Los demás factores de

la ecuación 1 son conocidos y son el tiempo de duración del ensayo de desgaste por abrasión de

8


acuerdo con la norma ASTM G-65 y a las experimentaciones realizadas que es de 11 minutos; el

peso perdido de las probetas ensayadas será el peso perdido de las probetas que presentaron

mejor comportamiento al desgaste abrasivo (Tabla 1), que son las de blindaje con preparación

superficial por rociado a presión de abrasivo mineral y cuyo valor promedio de pérdida de peso es

0,0928 gramos.

Figura 8. Modelado en el software SolidWorks de los flancos de los dientes del virador del molino de caña

En el software SolidWorks se modelaron los flancos de los dientes como un elemento independiente

del virador, con la finalidad de poder seleccionarlos y calcular su masa; de acuerdo con esto, se

tomó el criterio de iterar el espesor de blindaje entre 0,5 a 1,3 mm, para obtener la masa de los

flancos de los dientes según el espesor de blindaje. Estos espesores se referencian del catálogo

Eutalloy 11946 que indica un límite de espesor de hasta 1/16", con un rendimiento de la aleación

metálica de 50 in2 por cada libra.

3.8 Análisis de la confiabilidad del blindaje por la distribución de Weibull

Para el análisis de Weibull es necesario conocer el significado del término “falla” y de acuerdo con

el Weibull Handbook (1933), la falla se refiere a cualquier incidente o condición que cause la

degradación de un producto, proceso o material de tal forma que ya no pueda realizar las funciones

de una manera segura, confiable y a un costo razonable para el que fue concebido; estas fallas

ocurren de manera incierta y son influenciadas por el diseño, manufactura o construcción,

mantenimiento y operación, así como también factores humanos.

Existe una curva típica de fallos (curva de la bañera) que representa los diferentes tipos de falla que

un equipo o componente sufre durante el período desde su puesta en operación hasta que termina

su ciclo de vida útil. La Figura 9 muestra la curva representativa de los tres componentes que forman

la curva típica de flujo de fallas.

Figura 9. Curva de flujo de fallas o curva de la bañera (Salazar, 2004)

9


En la Figura 9, las fallas tempranas están asociadas con equipos nuevos y pueden ser causadas

por partes faltantes, falta de capacitación de las personas que instalan el equipo, daño causado a

los aparatos o dispositivos, o fallas por defectos de fabricación de las máquinas. La zona II de fallas

aleatorias, son inesperadas y pueden surgir por sobrecargas y averías, causadas por factores

externos que generan las fallas aun de las piezas mejor construidas; en la curva está representada

por una línea horizontal. La zona III, de fallas por desgaste u obsolescencia, son fallas debido a

edad, fatiga, corrosión, deterioro mecánico, eléctrico, hidráulico, o por el bajo nivel de mantenimiento

y reparación (Salazar, Rojano, Figueroa & Pérez et al., 2004).

Las funciones Weibull de confiabilidad y de tasa de falla propuestas por Waloddi Weibull, están

dadas por las ecuaciones 2 y 3.

𝑅(𝑡) = 𝑒𝑥𝑝 [− (𝑡 − 𝛾

𝛼)

1𝛽

] 𝐸𝑐. 2

𝐹(𝑡) = 1 − 𝑅(𝑡) 𝐸𝑐. 3

Donde:

R(t) – Función de confiabilidad de probabilidad

β – es el parámetro de forma y es el indicador del mecanismo de falla

α – es el parámetro de escala – vida característica

γ – es el parámetro de localización- la vida mínima. Cuando γ = 0 la ecuación 2 queda en función de 2

parámetros.

F(t) – Función de densidad de probabilidad de tasa de falla

Shigley (Budinas, 2008) menciona que el parámetro β (b) controla el sesgo de la distribución. Para

poder graficar la relación confiabilidad – edad, solo se necesita determinar (cálculo a partir de datos

históricos) los valores de los parámetros β y (α). Estos gráficos ayudan a comprender el

comportamiento histórico de falla de los componentes y de los modos de falla de interés. La

distribución de Weibull no sirve cuando no han ocurrido fallas; es decir, sirve para caracterizar el

histórico de averías o fallas en componentes y permite la determinación de las probabilidades de

fallo y duración media de cada componente.

Al conocer los valores de la media aritmética (�̅�), la varianza (S2), la desviación estándar (S), el

tiempo de falla de cada evento (ti) y el número de datos o eventos (n), se pueden determinar los

parámetros β y α; con las ecuaciones 4, 5, 6, 7 y 8 respectivamente.

Media aritmética

�̅� =∑ 𝐿𝑛 (𝑡𝑖)

𝑛𝑖=1

𝑛 𝐸𝑐. 4

Varianza

𝑆2 =(∑ 𝐿𝑛(𝑡𝑖) − �̅�)

2

(𝑛 − 1) 𝐸𝑐. 5

10


Desviación estándar

𝑆 = √𝑆2 𝐸𝑐. 6

Parámetro β

𝛽 =𝜋

𝑆 √6 𝐸𝑐. 7

Parámetro α

𝛼 = exp (𝑥 + (0.5772

𝛽)) 𝐸𝑐. 8

γ = 0 cuando no existen datos de falla anterior del elemento

4. Resultados

4.1 Rugosidad

Con la ayuda del medidor de rugosidad ELCOMETER 123, la Tabla 4, muestra los valores de

rugosidad obtenidos en los flancos de los dientes del virador, que se encuentran en el orden de 4.6

mils (116.8 μm).

Tabla 4. Valores de rugosidad en los flancos de los dientes del virador.

Diente Rugosidad (mils)




Flanco �̅� Flanco �̅�

Flanco �̅� Flanco �̅�

1 2 1 2 1 2 1 2 1 4,60 4,30 4,45 12 4,50 4,70 4,60 23 4,30 4,50 4,40 34 4,80 5,20 5,00 2 4,70 4,60 4,65 13 4,90 5,00 4,95 24 4,50 4,50 4,50 35 4,50 4,60 4,55 3 4,30 4,90 4,60 14 4,20 4,50 4,35 25 4,70 4,10 4,40 36 4,60 4,90 4,75 4 4,30 4,20 4,25 15 4,50 4,30 4,40 26 4,10 4,50 4,30 37 4,50 4,20 4,35 5 4,60 4,50 4,55 16 4,60 4,40 4,50 27 4,80 4,70 4,75 38 4,70 4,40 4,55 6 4,70 4,20 4,45 17 4,70 4,40 4,55 28 4,50 4,30 4,40 39 4,60 4,70 4,65 7 4,30 3,80 4,05 18 4,30 4,50 4,40 29 4,70 4,70 4,70 40 4,30 4,50 4,40 8 4,60 4,70 4,65 19 4,60 4,20 4,40 30 4,70 4,50 4,60 41 4,20 4,50 4,35 9 4,90 4,50 4,70 20 4,10 4,20 4,15 31 4,50 4,80 4,65 42 4,90 4,70 4,80 10 4,70 4,60 4,65 21 4,40 4,20 4,30 32 4,70 4,20 4,45 43 4,70 4,50 4,60 11 4,10 4,50 4,30 22 4,70 4,60 4,65 33 4,20 4,00 4,10

4.2 Espesor

De igual manera se tiene la Tabla 5, que muestra los valores de los espesores con y sin blindaje

obtenidos en cada uno de los dientes del virador, resultados medidos con el equipo DEMEQ QS5,

en donde “Y” es la diferencia entre los espesores final e inicial.

Tabla 5. Valores de espesor en los flancos de los dientes del virador

Diente Espesor (mm)

Diente Espesor (mm)

Diente Espesor (mm)

Diente Espesor (mm)

Flanco Y Flanco Y Flanco Y Flanco Y Inicial Final Inicial Final Inicial Final Inicial Final

1 7,77 8,77 1,00 12 7,80 8,76 0,96 23 7,69 8,71 1,02 34 7,54 8,60 1,06 2 7,69 8,70 1,01 13 7,62 8,67 1,05 24 7,67 8,67 1,00 35 7,65 8,67 1,02 3 7,75 8,76 1,01 14 7,88 8,85 0,97 25 7,63 8,65 1,02 36 7,68 8,68 1,00 4 7,70 8,73 1,03 15 7,50 8,50 1,00 26 7,68 8,68 1,00 37 7,59 8,64 1,05 5 7,68 8,72 1,04 16 7,64 8,65 1,01 27 7,60 8,64 1,04 38 7,58 8,57 0,99 6 7,65 8,65 1,00 17 7,58 8,59 1,01 28 7,65 8,67 1,02 39 7,61 8,62 1,01 7 7,71 8,75 1,04 18 7,67 8,72 1,05 29 7,59 8,62 1,03 40 7,70 8,70 1,00 8 7,70 8,70 1,00 19 7,77 8,79 1,02 30 7,58 8,63 1,05 41 7,68 8,67 0,99 9 7,72 8,73 1,01 20 7,58 8,64 1,06 31 7,63 8,67 1,04 42 7,56 8,57 1,01 10 7,70 8,73 1,03 21 7,62 8,62 1,00 32 7,63 8,63 1,00 43 7,57 8,57 1,00 11 7,67 8,68 1,01 22 7,74 8,77 1,03 33 7,68 8,68 1,00

11


4.3 Dureza Brinell

Para la medición de la dureza antes y después del blindaje, para cada uno de los dientes, fue

necesario el uso del equipo DIGIMESS DP-300. Los valores de dureza Brinell se presentan en la

Tabla 6.

Tabla 6. Valores de dureza Brinell en los flancos de los dientes del virador

Diente Dureza Brinell (HB)




Flanco % Flanco % Flanco % Flanco % Inicial Final Inicial Final Inicial Final Inicial Final

1 152,1 243,2 59,8 12 145,2 243,8 67,9 23 145,2 248 70,7 34 154,1 246,4 59,8 2 145,1 254,5 75,3 13 148,6 246,7 66,0 24 149,3 247 65,6 35 145,5 251,4 72,7 3 147,3 247,8 68,2 14 148,3 253,3 70,8 25 150,1 248 65,4 36 146,3 254,6 74,0 4 145,5 251,9 73,1 15 147,0 250,7 70,5 26 147,8 247 66,9 37 149,4 251,2 68,1 5 142,7 242,3 69,7 16 145,6 249,8 71,5 27 152,6 249 63,2 38 147,5 247,6 67,8 6 149,5 248,7 66,3 17 142,7 246,6 72,8 28 147,2 254 72,6 39 148,5 245,5 65,3 7 148,4 253,4 70,7 18 148,4 252,1 69,8 29 151,1 248 64,1 40 146,7 247,1 68,4 8 146,2 250,4 71,2 19 146,7 247,5 68,7 30 152,6 246 60,8 41 146,7 252,4 72,0 9 147,2 254,6 72,9 20 146,2 250,2 71,1 31 149,5 247 65,4 42 143,8 253,1 76,0 10 149,1 245,4 64,5 21 142,7 248,5 74,1 32 146,7 244 66,0 43 149,7 245,4 63,9 11 147,4 248,1 68,3 22 147,1 245,5 66,8 33 152,7 248 62,2

4.4 Caracterización del blindaje

El blindaje o recubrimiento de aleación micropulverizada Eutalloy 11496, se analiza con técnicas

microscópicas; debe caracterizarse por los aspectos siguientes:

Debe presentar una distribución uniforme sobre la superficie del sustrato. En la Figura 10 se

pueden observar los depósitos de aleación metálica aplicados a una sola pasada de deposición

de material sobre la superficie y distribuidos uniformemente sin dejar vacíos o aglomeraciones

de polvo sin fundir. Uno de los aleantes del polvo metálico que se encarga de generar la fluidez

en la deposición, es el boro, ya que actúa como agente fundente.

Figura 10. Material de blindaje distribuido de manera uniforme en la superficie, imagen

microscópica a 200X

Otro de los aspectos es verificar microscópicamente que no existan defectos superficiales en el

blindaje. Experimentalmente, en las muestras de acero AISI 1045 con blindaje y expuestas a 100

y 200 horas de corrosión acelerada en la cámara de niebla salina, se pudo determinar que un

simple poro o grieta se convierte en el “foco” de inicio de la degradación del material, por efecto

de la acumulación de sustancias corrosivas. La Figura 11 muestra un ejemplo de porosidad que

se presenta en el blindaje y cómo incide ante un entorno corrosivo.

12


Figura 11. a) Defectos en el blindaje, imagen tomada en SEM marca TESCAN VEGA3 a 23X, b)

Porosidad en el blindaje, imagen tomada en microscopio óptico a 100X, c) Inicio de corrosión en la

porosidad del blindaje después de la corrosión acelerada en la cámara de niebla salina a 200 horas

En este aspecto, aunque el cromo y el níquel presentes en la aleación metálica trabajan en pro de

la resistencia a la corrosión del material, bastará con un defecto superficial para que se inicie el

proceso de degradación puntual, hasta que se contamine toda la superficie.

4.5 Vida útil del blindaje

A partir de la ecuación 1, y con los datos de masa de ataque (capa de material de blindaje que se

expone a los fenómenos de abrasión y corrosión), el tiempo de duración del ensayo de desgaste

abrasivo y el peso perdido de las probetas ensayadas, se tiene la Tabla 7, que muestra la vida útil

del espesor de blindaje en cada uno de los escenarios.

Tabla 7. Valores de vida útil del blindaje según el espesor Espesor de blindaje (mm) Tiempo ensayo (min) Masa ataque (g) Peso perdido (g) Vida útil blindaje (días)

0,50 11,0 1191,19 0,0928 98,05 0,60 11,0 1415,27 0,0928 116,50 0,70 11,0 1639,89 0,0928 134,99 0,80 11,0 1865,03 0,0928 153,52 0,90 11,0 2090,69 0,0928 172,10 1,00 11,0 2316,88 0,0928 190,72 1,10 11,0 2543,60 0,0928 209,38 1,20 11,0 2770,84 0,0928 228,08 1,30 11,0 2998,60 0,0928 246,83

4.6 Confiabilidad y probabilidad de falla por Weibull

Es preciso mencionar que en los registros del Ingenio Azucarero San Juan no existen históricos de

falla del virador, pero es un elemento que se cambia cada año debido a la degradación del material,

en especial en la zona de los dientes; debido a esto los tiempos de falla que se utilizarán en el

cálculo de la confiabilidad y probabilidad de fallo, serán los que se determinaron de acuerdo con la

Tabla 4, que indica la vida útil del blindaje según el espesor aplicado.

De acuerdo con la aclaración, se procede al cálculo de la media aritmética (�̅�), la varianza (S2), la

desviación estándar (S), el parámetro de forma β y el parámetro de escala (α); según las respectivas

ecuaciones se obtiene los resultados de la Tabla 8.

Tabla 8. Cálculo de variables para determinar la confiabilidad del blindaje

Media aritmética �̅� = 5,107090963 Varianza S² = 0,098002163 Desviación estándar S = 0,313052971 Parámetro de forma β = 4,09690994 Parámetro de escala α = 190,1812631 Parámetro de localización γ = 0

13


Con los datos obtenidos de las Tablas 7 y 8, y con las herramientas estadísticas de Excel, se

procede a calcular la confiabilidad y probabilidad de falla del blindaje de los flancos de los dientes

del virador, mediante el uso de las Ecuaciones 2 y 3. Se obtienen los resultados de la Tabla 9.

Tabla 9. Valores calculados de la confiabilidad y probabilidad del fallo del blindaje

Espesor (mm) Tiempo (días) Ln(ti) (Ln(ti)-x)² R(t) F(t) 0,50 98,05 4,58551361 0,27204294 0,42711683 0,57288317 0,60 116,50 4,75788112 0,121947512 0,41178566 0,58821434 0,70 134,99 4,90518996 0,040764013 0,39862470 0,60137530 0,80 153,52 5,03383794 0,005366006 0,38709934 0,61290066 0,90 172,10 5,14805495 0,001678048 0,37685105 0,62314895 1,00 190,72 5,25078225 0,020647186 0,36762760 0,63237240 1,10 209,38 5,34414120 0,056192814 0,35924529 0,64075471 1,20 228,08 5,42971132 0,104083896 0,35156619 0,64843381 1,30 246,83 5,50870631 0,161294888 0,34448352 0,65551648

Σ = 45,96381867 0,78401730

Los resultados de la Tabla 9 han permitido generar las gráficas de distribución de Weibull para la

confiabilidad y probabilidad de falla del blindaje de los flancos de los dientes del virador de caña.

5. Discusión

De la rugosidad obtenida, con un valor promedio de 4,6 mils (116,8 μm), se puede relacionar de

acuerdo con la norma NACE Standard RP0287 (2002), como una preparación de superficie tipo

NACE No. 1/SSPC-SP 5, ya que sus límites de perfil de superficie están en el rango de 3,47 – 4,63

mils.

En términos de la dureza Brinell, se ha obtenido en promedio un incremento de la dureza del blindaje

hasta el 68% con respecto a la dureza del material. Los elementos aleantes del polvo metálico que

aportan a la dureza superficial, son el silicio y el boro, ya que, al combinarse con el carbono,

permitirán la formación de carburos de silicio y carburos de boro; con ello favorecerán a la

resistencia al desgaste por abrasión.

Para la vida útil del espesor de blindaje, se puede afirmar que para que este resista los 8 meses de

duración de la zafra (240 días) ante un medio de desgaste abrasivo y corrosivo, deberá tener un

espesor de 1,3 mm. En cambio, si se toma en cuenta el espesor promedio de 1 mm obtenido en las

mediciones que muestra la Tabla 5, daría una vida útil del blindaje hasta aproximadamente 190

días, según la Tabla 7; esto indica que el blindaje actual que se aplicó a los dientes del virador no

llegaría a cumplir su tiempo de operación, por lo tanto, sería necesario realizar un segundo pase de

metal de aporte hasta alcanzar aproximadamente el espesor de blindaje de 1,3 mm.

En la Figura 12 se puede establecer que para una zafra completa de duración de 8 meses (240

días), la confiabilidad del blindaje en los flancos de los dientes del virador estará en

aproximadamente 35%.

En la Figura 13 se puede revisar que la probabilidad de falla del blindaje en los flancos de los dientes

del virador de caña al cumplirse los 8 meses de zafra (240 días) será aproximadamente del 65%.

14


En este sentido el espesor de blindaje de 1,3 mm sufrió el desgaste y evitó que el material base se

degrade.

Figura 12. Función de confiabilidad de Weibull para el blindaje

Figura 13. Función de densidad de probabilidad de tasa de falla para el blindaje

6. Conclusiones y Recomendaciones

El objetivo de alcanzar la vida útil de los flancos de los dientes del virador, para un tiempo de 240

días, es tomando en cuenta el espacio inaccesible que se tiene en la zona de molinos, para realizar

un mantenimiento rutinario al virador; debido a esto, se proyecta un blindaje en los flancos de los

dientes, que resista al desgaste abrasivo y corrosivo en toda la zafra.

La confiabilidad del blindaje de los flancos de dientes del virador para un tiempo de 240 días ha

resultado ser del 35%; esto le corresponde dado que estará expuesto a un medio agresivo por

desgaste por abrasión, como es la materia extraña que trae la caña desde los cañaverales hacia la

zona de molienda; estas materias extrañas pueden ser: hojas, raíces, cogollos, piezas de metal que

pudieron desprenderse de las herramientas de corte de caña, piedras o arena. Las hojas de la caña

tienen gran contenido de sílice y estas a su vez traen al molino gran cantidad de arena, factores que

aumentan el desgaste por abrasión de las piezas.

Al finalizar la operación del ingenio (zafra), transcurridos los 240 días será necesario realizar un

análisis del espesor final de blindaje, mediante el uso de técnicas microscópicas, para compararlas

con los resultados obtenidos en las muestras de acero AISI 1045 en los ensayos de desgaste por

abrasión y desgaste por corrosión, según las normas ASTM G-65 y ASTM B-117, respectivamente.

El análisis del estado del blindaje después de la zafra permitirá también realizar un estudio

económico, relacionado con el consumo y eficiencia del material de aporte (Eutalloy 11496) utilizado

15


en la proyección térmica y también tomando en cuenta que los dientes de este virador deberán

volver a blindarse para la próxima zafra, y evitar con esto la adquisición local o importación de un

nuevo virador.

Bibliografía

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